激光熔覆表面強(qiáng)化在水電站轉(zhuǎn)輪室的應(yīng)用

胡成學(xué)，徐 進(jìn)，楊 杰，關(guān) 博

(中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司檢修廠，湖北 宜昌 443000)

水輪發(fā)電機(jī)組在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，過(guò)流部件轉(zhuǎn)輪室內(nèi)環(huán)鋼板受到空蝕、磨損、磨蝕，材料表面出現(xiàn)空蝕坑，鋼板厚度方向尺寸減薄，局部出現(xiàn)空鼓、穿孔現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)撕裂脫落。這些損壞將導(dǎo)致水輪機(jī)葉片與轉(zhuǎn)輪室鋼板間隙增加，水能利用率下降，機(jī)組發(fā)電效率下降，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性破壞，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

目前，轉(zhuǎn)輪室鋼板為鑄造不銹鋼，出現(xiàn)局部損壞常采用馬氏體不銹鋼焊條堆焊修復(fù)，修復(fù)變形大、易存在大量焊接裂紋、氣孔等缺陷，焊接部位使用壽命短，反復(fù)檢修堆焊。對(duì)于大面積的嚴(yán)重?fù)p壞，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有很好的修復(fù)方法，只能采用整體更換，拆除原轉(zhuǎn)輪室內(nèi)環(huán)鋼板，挖除原混凝土并填回，安裝新內(nèi)環(huán)[1]。整體更換的方法周期長(zhǎng)，工程量大，一般需要200 d以上。國(guó)內(nèi)一些水電站嘗試采用熱噴涂WC硬質(zhì)合金，以提高耐磨性，但涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度不高，涂層厚度薄，內(nèi)環(huán)鋼板使用壽命低。因此，在未出現(xiàn)大面積空鼓和撕裂脫前，采用現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)的方法有效提高轉(zhuǎn)輪室鋼板的耐空蝕、耐磨損、耐磨蝕性能[1]，從而提高轉(zhuǎn)輪室內(nèi)環(huán)鋼板的使用壽命，是目前國(guó)內(nèi)外水電站有待解決的問(wèn)題。

激光熔覆技術(shù)可顯著改善金屬表面的耐磨、耐熱、耐蝕、抗氧化等性能[2]。與堆焊、熱噴涂、電鍍等傳統(tǒng)表面處理技術(shù)相比，它具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如適用的材料體系廣泛、熔覆層與基體為冶金結(jié)合[3]、熱變形小、工藝易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等。直接熔化同軸同步輸送于基體表面的合金粉末并快速凝固，從而獲得成分、組織及性能完全不同于零件基材并優(yōu)于基材的快速凝固非平衡組織[4]。修復(fù)微觀組織細(xì)小、致密，熔覆層與基材結(jié)合好，無(wú)氣孔、微觀裂紋、夾雜等缺陷，使用性能達(dá)到或超過(guò)新內(nèi)環(huán)鋼板的使用性能，節(jié)省了更換成本，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 應(yīng)用目標(biāo)

針對(duì)提高材料耐空蝕、耐磨損、耐磨蝕性能，研究開(kāi)發(fā)適用于水輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)激光熔覆修復(fù)的合金材料和工藝方法，能夠解決現(xiàn)有的堆焊或噴涂技術(shù)存在的大面積堆焊變形大、易產(chǎn)生裂紋、耐蝕和耐磨性差、噴涂結(jié)合強(qiáng)度低、厚度不足的問(wèn)題。該合金材料和工藝，用于現(xiàn)場(chǎng)水平送粉激光熔覆修復(fù)，熔覆厚度大于0.5 mm，使用面硬度、耐空蝕性、耐磨性大大提高，無(wú)裂紋、氣孔缺陷。

2 實(shí)施方案

1)激光熔覆原理。以激光為熱源輻照使鋼板基體熔化形成熔池，粉末通過(guò)載氣輸送從噴嘴送出進(jìn)入熔池迅速熔化凝固，在惰性氣體保護(hù)下熔覆層材料與基體材料成冶金結(jié)，從而顯著改善基體材料表面的耐磨性、耐空蝕、耐磨損性能[5-9]。

2)熔覆層粉末選擇。轉(zhuǎn)輪室鋼板為鑄造馬氏體不銹鋼材質(zhì)，常用ZG0Cr13Ni4Mo、ZG0Cr13Ni5Mo。鋼板激光修復(fù)的粉末選擇除了考慮粉末自身特性外，還要考慮粉末與基體材料的熱膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)等物理參數(shù)的匹配性。修復(fù)材料粉末包括一種鈷基，Co-Cr-W-C型合金粉末，該粉末優(yōu)點(diǎn)在于：與基材有良好的匹配性，無(wú)氣孔和裂紋產(chǎn)生，熔覆層耐空蝕性、耐磨性、耐沖蝕性、耐磨性好。所述鈷基合金粉末由如下按重量百分比分配的修復(fù)材料組成：鈷：55%～75%；鉻：15%～35%；鎢：1%～10%；碳：0.3%～5%；硅、硼：剩余。鈷基合金粉末粒度50～100 μm，粉末顆粒形狀為球型[10-14]。

3)現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)修復(fù)系統(tǒng)主要包括控制柜、激光器、高精度六軸機(jī)械手、激光頭、噴嘴、工作導(dǎo)軌、水冷機(jī)、載氣送粉器。

3 現(xiàn)場(chǎng)激光熔覆工藝

3.1 修復(fù)步驟

轉(zhuǎn)輪室內(nèi)環(huán)鋼板激光修復(fù)步驟包括以下內(nèi)容[15-18]。

1)表面預(yù)處理和粉末準(zhǔn)備：對(duì)待修復(fù)區(qū)域進(jìn)行PT探傷，對(duì)缺陷和待修復(fù)表面區(qū)域進(jìn)行打磨去除表面氧化層，再用丙酮和無(wú)水酒精清洗修復(fù)區(qū)域及周?chē)? mm以上范圍內(nèi)的污質(zhì)。其目的在于：排除基體殘留缺陷對(duì)熔覆層組織造成的不利影響；防止金屬氧化物和非金屬雜質(zhì)對(duì)熔覆層組織造成的夾雜、氣孔、裂紋等缺陷，從而提高熔覆冶金質(zhì)量。金屬粉末攪拌預(yù)熱，加熱至80～120 ℃保溫1 h，目的是為了除去粉末中的水份，提高粉末流動(dòng)性，防止水份進(jìn)入熔覆組織。

2)安裝高精度六軸機(jī)械手在可滑動(dòng)工字鋼導(dǎo)軌上。

3)三維掃描和圖像、數(shù)據(jù)處理。采用三維掃描和圖像處理工具實(shí)現(xiàn)修復(fù)區(qū)域的尺寸檢測(cè)。

4)編制生成激光掃描路徑程序，并實(shí)現(xiàn)機(jī)器人路徑模擬仿真。

5)自動(dòng)化修復(fù)。采用自主開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化激光熔覆設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水平送粉修復(fù)。為減小熱積累從而減小變形，采用分區(qū)對(duì)稱(chēng)熔覆，分區(qū)大小300 mm×300 mm。

6)對(duì)熔覆層表面進(jìn)行打磨拋光處理，表面粗糙度小于Ra0.6。

7)對(duì)熔覆層進(jìn)行PT探傷檢測(cè)、變形量測(cè)試、硬度測(cè)試和厚度檢測(cè)，PT探傷無(wú)氣孔、裂紋缺陷；鋼板面曲翹變形量小于0.2 mm；表面洛氏硬度大于HRC48；修復(fù)厚度大于0.5 mm。

3.2 修復(fù)工藝參數(shù)

在此工藝中主要的修復(fù)參數(shù)有激光功率、掃描速度、送粉量、離焦量和送粉器的送粉速率、送粉氣流、保護(hù)氣流。具體工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 激光修復(fù)工藝參數(shù)表

3.3 試驗(yàn)效果

采用激光熔覆工藝和新熔覆材料修復(fù)轉(zhuǎn)輪室內(nèi)環(huán)鋼板，從修復(fù)后的金相分析、耐空蝕、耐磨損、硬度測(cè)試方面說(shuō)明使用此工藝方法的修復(fù)效果。

1)金相分析。采用金相顯微鏡對(duì)修復(fù)后的工件，分別對(duì)基體組織、過(guò)渡區(qū)組織、熔覆層組織進(jìn)行金相檢驗(yàn)，低倍下的金相組織見(jiàn)圖1，結(jié)果表明熔覆層材料與基體結(jié)合界面良好，粉材與基體材料結(jié)合良好。低倍下無(wú)未熔合、裂紋和夾雜等缺陷。高倍組織見(jiàn)圖2，高倍下無(wú)明顯氣孔，組織細(xì)小致密。說(shuō)明此工藝可將焊接層和基材緊密結(jié)合，并具有良好的力學(xué)性能。

圖1 低倍金相組織圖(200倍)

圖2 高倍金相組織圖(500倍)

2)耐空蝕性能檢測(cè)。采用超聲波振動(dòng)在試樣表面產(chǎn)生空泡現(xiàn)象的加速空蝕試驗(yàn)方法，對(duì)熔覆層和基材進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)原理示意圖如圖3。通過(guò)對(duì)比證實(shí)，熔覆層比基材有更好的耐空蝕性能。這對(duì)延長(zhǎng)轉(zhuǎn)輪室內(nèi)環(huán)鋼板使用壽命具有重要意義。

圖3 空蝕試驗(yàn)裝置示意圖

3)耐磨損性能檢測(cè)。使用EG-EW-900沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)，做抗沖蝕性能對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，熔覆層的抗沖蝕性能是基材的3倍左右。

4)硬度檢測(cè)。使用特視顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)五組以上熔覆層，其硬度均在HRC50以上，滿(mǎn)足轉(zhuǎn)輪室鋼板的硬度要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

在水電站轉(zhuǎn)輪室易空蝕、易磨損區(qū)域，應(yīng)用激光熔覆技術(shù)強(qiáng)化涂層，提高過(guò)流面的抗磨、抗空蝕特性；經(jīng)一個(gè)汛期的運(yùn)行檢驗(yàn)，熔覆區(qū)域無(wú)空蝕、無(wú)磨損，表面光滑平順，與修復(fù)前對(duì)比無(wú)差異。激光熔覆表面強(qiáng)化技術(shù)可推廣至水電站其他過(guò)流部件使用，為今后的過(guò)流部件修復(fù)與防護(hù)提供一種工藝選擇。